Master's Thesis

Design and control of laboratory double pendulum model

Final Thesis 3.68 MB Appendix 2.81 MB

Author of thesis: Ing. Tomáš Kirchner

Acad. year: 2019/2020

Supervisor: Ing. Michal Bastl, Ph.D.

Reviewer: Ing. Martin Brablc, Ph.D.

Abstract:

Improvement of the current double inverted pendulum model on a cart as well as a new LQG control and swing-up realization are the main goal of this thesis. Movement of the cart is driven by DC motor and gear belt mechanism. At first the control algorithms were simulated in Simulink program and then also implemented into the real system with MF624 card.

Keywords:

Double inverted pendulum on a cart, gear belt, dynamic equations, parameters estimation, Kalman filter, stabilization, LQG, swing-up

Date of defence

22.07.2020

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student v prezentaci představil svou diplomovou práci. Po přečtení posudku vedoucího práce a posudku oponenta práce student odpověděl na tři otázky položené oponentem. Tyto otázky zodpověděl bez problémů. Dále odpovídal na otázky položené jednotlivými členy komise, směřující např. na simulační model a způsob modelovaného tření. Dále pak na porovnání výsledků práce s pracemi jiných autorů. Celé vystoupení včetně odpovědí na položené otázky hodnotila komise jako výborné.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (M2A-P)

Field of study

Mechatronics (M-MET)

Composition of Committee

RNDr. Vladimír Opluštil (předseda)
doc. Ing. Robert Grepl, Ph.D. (místopředseda)
prof. RNDr. Ing. Tomáš Březina, CSc. (člen)
Ing. Dalibor Červinka, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jiří Krejsa, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Peter Kriššák, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radoslav Cipín, Ph.D. (člen)
Ing. Josef Ferda (člen)
mjr. Ing. Václav Křivánek, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Michal Bastl, Ph.D.

Pan Kirchner se zabýval stabilizací dvojitého inverzního kyvadla. Práci považuji za náročnou. V DP student navázal na předchozí výsledky, ale upravil mechanickou konstrukci kyvadla. Tato změna vyžadovala znovu naladit stavové řízení s Kalmanovým filtrem, což předpokládá důkladnou identifikaci systému. V poslední fázi se autor věnoval swing-up funkci, tedy vyšvihnutí do inverzní polohy. Tato část dobře funguje v simulacích, ale na reálném modelu není úplně spolehlivá. Postup byl však výrazně ovlivněn situací okolo epidemie covid-19. S přístupem studenta jsem jako vedoucí spokojen. Pan Kirchner věnoval práci opravdu velké množství času a prokázal výborné inženýrské schopnosti. Textová část páce je zpracována pečlivě.

Práci hodnotím jako výbornou/A
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A
Display more

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Martin Brablc, Ph.D.

Student Tomáš Kirchner řešil v rámci své diplomové práce klasickou úlohu stabilizace dvojitého inverzního kyvadla se zaměřením na přechod ze stabilní do labilní polohy. Text práce je rozdělen na pět obsahových kapitol. Po stručném úvodu a formulaci problému je stěžejní velmi dobře zpracovaná třetí kapitola, která se věnuje detailní teoretické analýze dvojitého inverzního kyvadla a dalších algoritmů a metod pro řízení a pozorování, použitých v dalších částech práce.

Dále ve čtvrté kapitole autor popisuje praktickou část své práce, popisuje a vysvětluje provedené konstrukční úpravy na dvojitém kyvadle, simuluje a odhaduje parametry modelu na základě naměřených dat a následně v simulaci a experimentálně realizuje stabilizaci a swing-up dvojitého kyvadla.

K teoretické a simulační části nemám žádné výhrady, je zpracovaná velmi dobře. Jak ale autor sám uvádí, z výsledků provedených experimentů je zřejmé, že na reálném kyvadle se nepodařilo realizovat úlohu swing-up s dostatečnou robustností, kterou slibovaly výsledky simulací. Swing-up se podaří pouze v ojedinělých případech.

Je potřeba dodat, že se jedná o velmi obtížnou úlohu, která je velmi citlivá na jakékoliv odchylky modelu a dosáhnout robustního swing-upu na reálné soustavě je tak mnohem obtížnější než v simulaci. Vzhledem k omezeným zdrojům i technickým možnostem autora v době proti-pandemických opatření je takový výsledek přijatelný. V tomto kontextu bych autorovi doporučil podrobit navržený swing-up algoritmus podrobnějšímu testování v simulaci, například jeho nasazením na nedokonalý model, protože v simulaci s dokonalým simulačním modelem není možné testovat jeho robustnost.

Po uspokojivém zodpovězení otázek práci doporučuji k obhajobě s hodnocením A – výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Pokuste se vysvětlit důvod mále robustnosti navržené swing-up metody. Jaké jsou hlavní odchylky mezi vaším modelem dvojitého kyvadla a reálnou soustavou?
  2. Na obrázku 2.1 znázorňujete 2 rovnovážné polohy kyvadla, existují ještě další možnosti? Lze jich podobnou metodou swing-up také dosáhnout a následně je stabilizovat?
  3. Zdůvodněte volbu prvků matice Q v rovnici 4.10. Proč je váha všech rychlostí nulová?
Display more

Grade proposed by reviewer: A